Тема 21 матеріали, які застосовуються в автомобільних двигунах і їхні властивості

 

Умови роботи і вимоги до матеріалів, що використовуються у двигунобудуванні

Особливість роботи матеріалів, які використовуються у ДВЗ – активний вплив на них комплексу несприятливих факторів, непостійних у часі, серед яких – значні коливання температури, динамічний характер механічних навантажень, велика кількість тертьових деталей, хімічна агресивність середовища в умовах високих температур.

Наявність високої температури вимагає використання деталей з жаростійких і жароміцних сплавів. Вплив низьких температур у сполученні з високими механічними навантаженнями, особливо при пуску в зимовий період, викликає необхідність застосування матеріалів із низьким порогом хладноломкості.

Динамічний характер знакоперемінних навантажень вимагає використання матеріалів із високою ударною в'язкістю й усталісною міцністю.

Велика кількість тертьових поверхонь визначає, з одного боку, необхідність застосування антифрикційних матеріалів (у тому числі працюючих при високих температурах), а з іншої сторони вимагає забезпечення високої зносостійкості цих поверхонь.

Наявність нафтопродуктів може викликати при високих температурах навуглерожування поверхні, що веде до крихкості матеріалів. У процесі згоряння палива можливо наводнераження матеріалів і утворення флокенів (скупчень водню в мікропорожнечах і мікротріщинах із наступним розвитком у цих зонах високого тиску), що значно знижує експлуатаційні характеристики матеріалів. Присутність у нафтопродуктах сірки в сполученні з вологою веде до утворення кислот, що викликає активний хімічний вплив на поверхні деталей.

Жаростійкість (опір металів і сплавів газовій корозії при високих температурах) забезпечується за рахунок легування по трьох основних механізмах:

1) легуючі елементи входять у ґрати окисла основного компонента, зменшуючи його дефектність і дифузійну проникність;

2) легуючі елементи утворюють на поверхні сплаву свій захисний окисел, що перешкоджає окислюванню основного металу;

3) легуючі елементи з основним металом утворять подвійні окисли, що володіють підвищеними захисними властивостями.

Основними елементами, що підвищують жаростійкість сталей, є хром, нікель кремній і алюміній. Найбільший вплив на жаростійкість робить легування хромом. Однак легування ванадієм, молібденом і вольфрамом істотно знижує жаростійкість сталей і сплавів.

Жароміцність (здатність сплавів витримувати механічні навантаження при високих температурах) забезпечується легуванням нікелем і кобальтом. Для додаткового зміцнення сплавів, у них уводять хром, алюміній, титан, ніобій. Жароміцність також збільшується при мікролегуванні бором, кальцієм, магнієм, цирконієм, барієм. Легкоплавкі елементи: свинець, кадмій, бериллій, олово, сурма дають різко негативний вплив на жароміцність.

Ударна в'язкість сталей досягається, як правило, термічним поліпшенням (об'ємне загартування з високою відпусткою), що забезпечує однорідну структуру сорбіту відпустки по перетину виробу. Термічне поліпшення значно знижує поріг холодноломкості сталей і сприятливо позначається на їхніх характеристиках при знижених температурах.

Підвищення антифрикційних властивостей тертьових поверхонь досягається використанням сплавів на основі міді і свинцю (різні типи бронз, бабіти). При високих температурах їхнє використання утруднене чи неможливе через низьку температуру плавлення. У цьому випадку як матеріал, що володіє підвищеними антифрикційними властивостями, можуть виступати чавуни, що мають у своїй структурі природний високотемпературний мастильний матеріал – графіт.

Підвищення зносостійкості поверхні сталевих деталей досягається, як правило, хіміко-термічною обробкою: цементацією, азотуванням, нитроцементаціей у сполученні з зміцнюючою термічною обробкою – поверхневим чи об'ємним загартуванням із наступною низькою відпусткою.

Стійкість до кислих середовищ забезпечується використанням спеціальних сталей і сплавів хімічним пассивуванням поверхонь деталей.

 

Конструкційні сталі

Задача раціонального вибору марки стали полягає в задоволенні вимоги надійної роботи в експлуатаційних умовах при мінімальній вартості як стали, так і технологічних операцій її обробки.

Сталеві деталі виготовляються шляхом кування, штампування, виливки і піддаються термічній і хіміко-термічній обробці. Крім необхідних механічних властивостей, необхідно враховувати технологічні особливості термічної й механічної обробки. Для виробів складної конфігурації загартування у воді може бути небажаною через викликання нею значних внутрішніх напружень, що можуть привести до деформації деталі. У цьому випадку припустимо використовувати більш леговані сталі, що дозволяють застосувати загартування в маслі, чи стали мартенситного класу, що гартуються на повітрі. Температура й швидкість охолодження при відпустці також можуть впливати на внутрішні напруження. Перевагу варто віддати більш високій відпустці.

Зазначені обставини для більшої частини деталей не є істотними; основою вибору марки стали для них може служити, головним чином, проколюємість.

Проколюємість - характеристика, що визначає здатність стали гартуватися на визначену глибину. Вона характеризується величиною критичного діаметра D_кр, тобто діаметром максимального перетину, що прожарюється в даному охолоджувачі (вода, олія, повітря) наскрізь. Вуглеродисті стали мають низку проколюємість (D_кp = 15-20мм). Проколюємість легованих сталей значно вище, ніж вуглеродистих. Вона може підвищуватися за рахунок сполучення різних легуючих елементів, тому необхідно підбирати таке їхнє сполучення, при якому вартість стали буде найменшою.

Марки сталі, що володіють однаково загартовуємістю й проколюємістю при різних сполученнях і кількостях легуючих елементів, для високовідпущеного стану мають практично рівноцінні механічні властивості. Зазначене положення є практичною основою для вибору і заміни марок сталей.

Опір зносу термічно обробленої конструкційної сталі визначається її твердістю і практично не залежить від марки стали. Те ж відноситься до уломленої міцності.

Застосування конструкційної сталі після загартування і низької відпустки знаходить усе більше поширення у зв'язку з необхідністю одержання високих механічних властивостей, а також високого опору зносу. Висока твердість низьковідпущеної середневуглеродистої легованої сталі дозволяє використовувати ee замість цементуємих марок, виключити для багатьох деталей дорогий і тривалий процес цементації. Для зубчастих коліс після загартування і низької відпустки з успіхом застосовуються сталі, що володіють високою твердістю й в'язкістю в низьковідпущеному стані: 30ХГСА, 35ХГСА, 40Х, 40ХСА, 40ХН.

Вибір марки стали для деталей, що піддаються загартуванню і низькій відпустці, обумовлюється проколюємістю при загартуванні в маслі, а також долею вуглецю в сталі, що визначає її твердість. Марки сталі, що володіють зниженою проколюємістю, як правило, дають значну деформацію деталей, що небажано, тому що деталі, що піддаються загартуванню і низькій відпустці, проходять термічну обробку після остаточної механічної обробки з допусками на зачищення й шліфування.

Ця обставина прискорює, здешевшує і полегшує технологічний процес виготовлення деталей, тому що дозволяє робити механічну обробку відпаленої сталі, що володіє гарною оброблюваністю.

Вироби, що піддаються поверхневому загартуванню, проходять попередню термічну обробку, що полягає в загартуванні і високій відпустці (600-650°С). Застосування високої відпустки в попередній обробці дозволяє використовувати низьколеговані слабко прожарюючиєся марки сталі й вуглеводисті: 40, 45, 40Х, 45М, 50Г и ін. Поверхневе загартування є ефективним методом підвищення зносостійкості деталей при значному зниженні їхньої вартості за рахунок застосування дешевих марок сталі, спрощення й прискорення технологічного процесу.

Чавуни

Чавун із кулястим графітом

Характеризуються наявністю компактної, близької до кулястої, форми включень графіту, що менш послабляє робочий перетин, ніж пластинчастий графіт. Куляста форма графіту в сполученні з різною структурою металевої основи дозволяє одержати чавуни з різними механічними й фізичними властивостями.

Механічні властивості і мікроструктура чавуна забезпечуються в литому стані шляхом термічної обробки.

Антифрикційні чавуни

Сірі чавуни в ДВЗ застосовуються як антифрикційний матеріал у підшипниках шестірень, розподільних валів, направляючих клапанів, штовхальників і т.п.

Обов'язковими характеристиками для відливок з антифрикційного чавуна всіх марок є мікроструктура й твердість, а також зміст легуючих елементів.

Застосування антифрикційних чавунів у підшипниках вимагає дотримання наступних умов:

1) чавуни марок АЧС-3, АЧС-6, АЧВ-2 і АЧК-2 призначені для роботи в парі з «сирими» валами. Чавуни інших марок вимагають валів підвищеної твердості;

2) ретельний монтаж і відсутність перекосів;

3) безупинне якісне змащення;

4) підвищення зазорів у порівнянні з бронзовими підшипниками на 15-30%, а при наявності значного нагрівання підшипника – до 50%;

5) ретельне приробляння на холостому ході і поступове підвищення робочих навантажень.